随着Internet的普及和网络技术的发展,网络化已成为当代数控机床控制技术发展的主要趋 势之一。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实 现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。Internet网络传输延时所 具有的随机性、可变性和不可预测性将会影响到数控机床远程监控的实时性、准确性和可靠性。1 远程监控网络结构由于数控系统及内部实现网络功能的研制技术难度大、开发成本高、周期长, 我们采用的是在数控系统外部附加网络功能的技术路线。通过研制专用的通信控制器,利用通信控制器内部的TCP/IP网络协议,以及10Base-T网络接口,将数控机床连接到Ethernet和Internet ,方便的实现数控设备的联网。数控设备可将自身的运行状态和工作参数等信息以TCP或UDP的方式提供给远程的监控者,亦可实现数控加工程序等加工制造信息的实时传输<1> 。其拓扑结构如图1所示。对于数控机床的使用企业,这种连网技术可以使其构建一种新型的网络结 构,实现底层数控加工设备与CAD/CAE/CAM系统和企业MIS(ManagementInformationSystem,管理信息系统) /ERP(EnterpriseResourcePlanning ,企业资源计划系统)的集成,在产品远程设计制造和信息化生产的基础上构建CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem ,计算机集成制造系统)。2 网络传输延时Internet是由很多设备构成的复杂的通讯网络,TCP/IP的使用使得在任何互连的网络集合中进行通讯成为可能。在In ternet上数据按照包传输协议通讯,当数据被一个交换机接收并被转发给下一个交换机时,就 产生了延时。而包的路由选择能影响Internet上包的交换和所路过节点的处理策略,致使Internet网络传输延时成为一个随机变量。对于图1所示的数控机床远程监控网络,时间延迟的大小可由下式估算:设总的时间延迟是T ,则有<3、4>T =Tc+Tp+ (Dr+Ds) /V (1)其中Tc 为通讯延时,包括通讯初始化时间和在介质中的传输时间。信号通过传输介质在两地间的物理传输时 间是随着距离的增大而增大的。在网络中,路由选择的不同会使信息沿不同的线路传输,从而导致信息传输时间的变化是不可预测、不可消除的。Tp为数控机床通信控制器产生的延时,包括通信控制器完成指令的解释和执行、数据转换的时间。Ds、Dr 是发送和接收的数据量,V是传输速率,与介质有关。3 提高实时性的方法由公式(1)可见,减 小网络传输延时的一个重要的方法就是提高通信线路的带宽,增大传输速率V。由于在数控机床远 程控制中一般都是使用电信或通信公司的普通通信线路,接入带宽都为固定值,一般不能提高。另一方面网络传输延时也与Internet线路的通信距离,线路繁忙程度,以及数据包经过的节点数和每个节点的路由策略有关 ,但这一方面是不确定的,只能通过实验获得延时的平均值。对于此类延时,我们采用在通信控制器中设立数据缓冲区的方法加以解决,参见文献<2>。减少网络传输延时的另外一种方法是减小公式(1)中的Tp的值。通信控制器由于是自行研制 ,所以其产生的通信延时Tp可以采用一系列方法加以缩短,主要技术及手段如下:(1)使用高速MCU通信控制器的硬件采用嵌入式Internet技术实现,由MCU和RTL8019AS以太网控制芯片组成。MCU作为通信控制器的核心,其性能直接影响通信控制器的数据处理能力和速度。实际应用中,使用普通C5 1MCU ,在网络传输的数据较大时,由于MCU本身的运行速度不够高,对控制的实时性有一定影响。为此,我们选择了AVR系列中的ATMEGA12 8L。AT MEGA12 8L是一款基于AVRRISC结构的低功耗CMOS 8位单片机,速度为0～8MHz。通过在一个时钟周期内执行一条指令,ATMEGA12 8L可以取得1MIPS/MHz的性能,实际应用效果很好。(2 )采用“零拷贝技术”由于Internet通信中TCP/IP协议的层次特性,每个协议层都有 自己的数据格式。发送数据时,各个协议层从自己的上层协议层接收数据,然后加上本层的控制信 息再交给自己的下层协议层,这个过程叫打包。其中,该控制信息只有其它主机上的同层协议层才 能正确解释;接收数据时,各个协议层从自己的下层协议层接收数据,然后取出本层的控制信息再 把剩下部分数据交给上层的协议层,这个过程叫拆包。用户数据在从本地主机传输到远程主机的过 程中,需要不断地拆包和打包。如果在拆包和打包时,各协议之间均采用数据拷贝进行数据传递, 则将大大增加系统的存储和数据处理开销,从而降低系统实时性能。为了解决这一矛盾,在通信控 制器进行TCP/IP协议处理时,我们在各层间使用数据指针进行数据传递,只有当数据最终被 底层驱动程序发送出去或是被高层应用程序取走时,才进行真正的数据搬移,这就是“零拷贝技术”。“零拷贝”技术的优点是通信控制器的存储开销小,去掉了不必要的数据搬移,使得数据处理快。(3)采用紧急数据处理技术在数控机床的远程实时控制中,常常有紧急数据需要传输,如机床的故障报 警信息。对于这类紧急数据,必须以最短的时间延迟传输到远程监控端,由监控端及时做出决策和 处理。在TCP中,等待发送的数据以字节流的形式存放在缓冲区中。普通数据都编有序号,发送 的时候按照序号的大小从小到大依次发送。当有紧急数据需要发送时,如果把这些紧急数据也编上 序号顺序发送,则会因为前面小序号的数据未发送而耽搁紧急数据的发送。因此,紧急数据不能按 照普通数据编号后顺序发送,而只能采取带外数据的方式发送,即不管该紧急数据产生时在它前面 还有多少未发送的普通数据,该紧急数据都将插在下一个将要发送的数据前面而被发送。通过在T CP报头的代码域中设置紧急数据位(URGbit)表示该TCP数据段中含有紧急数据。TC P报头中的紧急指针指出了紧急数据在TCP数据段中的结束位置,这样可以使紧急数据在产生后 能立即发出。4 结束语我国的Internet带宽较窄,网络通信存在着延时性和不稳定性。 数据缓冲区技术可以有效地缓解网络传输延时对数控机床远程监控实时性的影响,而使用高速MC U、“零拷贝技术”和紧急数据处理技术可以有效地减小网络传输延时,提高监控网络的实时性。 相信随着通信技术和网络技术的不断发展和进步,网络传输的延时性和不稳定性将逐渐地不再是束 缚远程监控技术的瓶颈数控机床Internet远程监控中提高实时性的方法@庄殿铮$沈阳工 业大学工程学院!辽宁辽阳111003Internet;;数控机床;;远程监控;;实时性文章介绍了使用通信控制器实现普通数控机床的Internet接入并进行远程监控的网络技术方案和拓扑结构;给出了此种网络结构下的网络传输延时计算方法 ;提出了在通信控制器中设立数据缓冲区、使用高速MCU、零拷贝技术、紧急数据处理技术等提高 数控机床远程监控实时性的方法。<1>庄殿铮,王可.基于Internet的数控机床远程监控技术.中国制造业信息化,2003,32(5):88～90
<2>庄殿铮.基于Internet的网络数控制造技术.机床与液压,2003,(4)
<3>王庆鹏,谈大龙.基于Internet的机器人控制中网络时延测试及分析.机器人,2001,23(4):316～321
<4>OboeR ,FioriniP .ADesignandControlEnvironmentforInter net-BasedTelerobotics.TheInternationalJourna lofRoboticsResearch,1998,17(4):433～449招蚝诺拇笮 〈有〉酱笠来畏⑺汀５庇薪艏笔菪枰⑺褪?如果把这些紧急数据也编上序号顺序发送,则会因 为前面小序号的数据未发送而耽搁紧急数据的发送。因此,紧急数据不能按照普通数据编号后顺序 发送,而只能采取带外数据的方式发送,即不管该紧急数据产生时在它前面还有多少未发送的普通 数据,该紧急数据都将插在下一个将要发送的数据前面而被发送。通过在TCP报头的代码域中设 置紧急数据位(URGbit)表示该TCP数据段中含有紧急数据。TCP报头中的紧急指针指 出了紧急数据在TCP数据段中的结束位置,这样可以使紧急数据在产生后能立即发出。4 结束 语我国的Internet带宽较窄,网络通信存在着延时性和不稳定性。数据缓冲区技术可以有 效地缓解网络传输延时对数控机床远程监控实时性的影响,而使用高速MCU、“零拷贝技术”和 紧急数据处理技术可以有效地减小网络传输延时,提高监控网络的实时性。相信随着通信技术和网 络技术的不断发展和进步,网络传输的延时性和不稳定性将逐渐地不再是束缚远程监控技术的瓶颈 数控机床Internet远程监控中提高实时性的方法@庄殿铮$沈阳工业大学工程学院!辽宁 辽阳111003Internet;;数控机床;;远程监控;;实时性文章介绍了使用通信控制器实现普通数控机床的Internet接入并进行远程监控的网络技术方案和拓扑结构;给出了此种网络结构下的网络传输延时计算方法 ;提出了在通信控制器中设立数据缓冲区、使用高速MCU、零拷贝技术、紧急数据处理技术等提高 数控机床远程监控实时性的方法。<1>庄殿铮,王可.基于Internet的数控机床远程监控技术.中国制造业信息化,2003,32(5):88～90
<2>庄殿铮.基于Internet的网络数控制造技术.机床与液压,2003,(4)
<3>王庆鹏,谈大龙.基于Internet的机器人控制中网络时延测试及分析.机器
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